射流循环DTB结晶器的水力学模拟与实验

摘要

射流技术广泛应用于混合和传动过程，用射流实现DTB结晶器内搅拌桨轴向推进功能，可有效降低由搅拌桨和晶体碰撞引起的二次成核，提高产品粒度。本文通过模拟，优化以及实验，研究了DTB结晶器导流筒的结构和流场，为射流循环DTB结晶器设计和优化提供指导。具体的研究内容如下:
　　采用RNG k-ε湍流模型对直导流筒射流DTB结晶器的单相流流场进行了数值模拟，选取最优导流筒筒径，并利用欧拉多相流模型对该结构下的结晶器进行模拟分析。结果表明，导流筒内射流满足线性扩展，轴向速度分布基本满足高斯分布。刚进入导流筒内的射流主体段，轴线速度倒数与流程呈良好的线性关系，随射流发展，轴线速度加速衰减。在喷嘴入口直径恒定时，循环速率比(γ)随导流筒挡板间环隙面积与导流筒横截面积比（β)的增加呈先增大再减小的趋势，存在最优值。直导流筒为最优直径时，射流DTB结晶器中导流筒内颗粒浓度分布沿径向方向减小，其循环速率比较单相流模拟结果略低，但基本可实现颗粒浓度较为均匀的分布，满足DTB结晶器的水力学要求。
　　参照射流泵结构对结晶器导流筒进行优化，利用RNG k-ε湍流模型模拟了不同结晶器内的流场，分析不同导流筒结构下射流DTB结晶器内流体流动;利用组分输运模型对结晶器有效区域进行阶跃示踪法实验，考察其混合特性;利用滑移网格法模拟常规DTB结晶器内的流动性质，并与射流DTB结晶器的流场和能耗进行对比;利用欧拉多相流模型模拟不同导流筒结构的射流DTB结晶器的颗粒浓度场，对比颗粒浓度分布。结果表明，参照射流泵结构优化的导流筒提高了内循环量，本例中较直导流筒最高提升23％，同时对结晶器内的混合有一定的促进作用。同时，相同内循环流量下，射流泵DTB结晶器与常规DTB结晶器相比，单位体积能耗稍小。射流循环可较好的实现DTB结晶器内颗粒悬浮，且相比于其它射流DTB结晶器，结构优化的射流泵DTB结晶器颗粒分布更加均匀，颗粒相的内循环量更高。因此射流泵导流筒的优化，不仅使射流方案满足DTB结晶器溶液充分混合、颗粒均匀悬浮的水力学要求，在能耗上较常规DTB结晶器也有一定优势。
　　利用粒子图像测速法(PIV)考察不同搅拌位置与转速下常规DTB结晶器的流场，以及不同喷嘴直径与外循环流量下射流DTB结晶器的流场，并与数值模拟结果对比。结果表明，RNG k-ε湍流模型可较为准确有效的模拟常规DTB结晶器与射流DTB结晶器内的流场。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 工业硫酸铵产品背景

1．1．1 硫酸铵简介

1．1．2 中国硫酸铵生产情况

1．1．3 大颗粒硫酸铵的优势

1．2 结晶动力学研究

1．2．1 晶体生长

1．2．2 结晶成核

1．2．3 结晶成核的影响

1．3 工业结晶设备

1．3．1 工业结晶器简介

1．3．2 DTB结晶器

1．3．3 DTB结晶器的研究

1．4 射流循环DTB结晶

1．4．1 射流混合

1．4．2 射流泵

1．4．2 射流泵型DTB结晶器

1．5 本文研究内容

2 直导流筒射流循环DTB结晶器的CFD模拟

2．1 数值模拟方法

2．1．1 物理模型

2．1．2 模拟方法

2．1．3 模型验证

2．2 模拟结果与讨论

2．2．1 轴线速度

2．2．2 速度特征半厚度

2．2．3 轴向速度分布

2．2．4 循环速率

2．2．5 多相流实验

2．3 本章小结

3 射流泵结构优化DTB结晶器的CFD模拟

3．1 射流泵的基本原理

3．1．1 射流泵的基本结构

3．1．2 结晶器结构优化

3．2 数值模拟方法

3．2．1 物理模型

3．2．1 流动过程CFD模拟方法

3．2．2 混合过程CFD模拟方法

3．2．3 多相流CFD模拟方法

3．3 模拟结果与讨论

3．3．1 不同结构下的流动特性

3．3．2 不同结构F的混合特性

3．3．3 射流结晶器与搅拌结晶器的对比

3．3．4 晶体颗粒浓度分布

3．4 本章小结

4 冷模DTB结晶器PIV可视化实验

4．1 PIV简述

4．2 实验装置

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 实验装置实物图

4．2．2 实验流程图

4．3 实验方法

4．3．1 实验步骤

4．3．2 数据处理方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 冷模搅拌型DTB结晶器PIV可视化实验

4．3．2 冷模射流循环DTB结晶器PIV可视化实验

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢